Hybrid fully homomorphic framework

par Pierrick Méaux

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de David Pointcheval et de Vadim Lyubashevsky.

  • Titre traduit

    Chiffrement complètement homomorphe hybride


  • Résumé

    Le chiffrement complètement homomorphe est une classe de chiffrement permettant de calculer n’importe quelle fonction sur des données chiffrées et de produire une version chiffrée du résultat. Il permet de déléguer des données à un cloud de façon sécurisée, faire effectuer des calculs, tout en gardant le caractère privé de ces données. Cependant, l’innéficacité actuelle des schémas de chiffrement complètement homomorphes, et leur inadéquation au contexte de délégation de calculs, rend son usage seul insuffisant pour cette application. Ces deux problèmes peuvent être résolus, en utilisant ce chiffrement dans un cadre plus large, en le combinant avec un schéma de chiffrement symétrique. Cette combinaison donne naissance au chiffrement complètement homomorphe hybride, conçu dans le but d’une délégation de calculs efficace, garantissant des notions de sécurité et de vie privée. Dans cette thèse, nous étudions le chiffrement complètement homomorphe hybride et ses composantes, à travers la conception de primitives cryptographiques symétriques rendant efficace cette construction hybride. En examinant les schémas de chiffrement complètement homomorphes, nous developpons des outils pour utiliser efficacement leurs propriétés homomorphiques dans un cadre plus complexe. En analysant différents schémas symétriques, et leurs composantes, nous déterminons de bons candidats pour le contexte hybride. En étudiant la sécurité des constructions optimisant l’évaluation homomorphique, nous contribuons au domaine des fonctions booléennes utilisées en cryptologie. Plus particulièrement, nous introduisons une nouvelle famille de schémas de chiffrement symétriques, avec une nouvelle construction, adaptée au contexte hybride. Ensuite, nous nous intéressons à son comportement homomorphique, et nous étudions la sécurité de cette construction. Finalement, les particularités de cette famille de schémas de chiffrement motivant des cryptanalyses spécifiques, nous développons et analysons de nouveaux critères cryptographiques booléens.


  • Résumé

    Fully homomorphic encryption, firstly built in 2009, is a very powerful kind of encryption, allowing to compute any function on encrypted data, and to get an encrypted version of the result. Such encryption enables to securely delegate data to a cloud, ask for computations, recover the result, while keeping private the data during the whole process. However, today’s inefficiency of fully homomorphic encryption, and its inadequateness to the outsourcing computation context, makes its use alone insufficient for this application. Both of these issues can be circumvented, using fully homomorphic encryption in a larger framework, by combining it with a symmetric encryption scheme. This combination gives a hybrid fully homomorphic framework, designed towards efficient outsourcing computation, providing both security and privacy. In this thesis, we contribute to the study of hybridfully homomorphic framework, through the analysis, and the design of symmetric primitives making efficient this hybrid construction. Through the examination of fully homomorphic encryption schemes, we develop tools to efficiently use the homomorphic properties in a more complex framework. By investigating various symmetric encryption schemes, and buildingblocks up to the circuit level, we determine good candidates for a hybrid context. Through evaluating the security of constructions optimizing the homomorphic evaluation, we contribute to a wide study within the cryptographic Boolean functions area. More particularly, we introduce a new family of symmetric encryption schemes, with a new design, adapted to the hybrid fully homomorphic framework. We then investigate its behavior relatively to homomorphic evaluation, and we address the security of such design. Finally, particularities of this family of ciphers motivate specific cryptanalyses, therefore we develop and analyze new cryptographic Boolean criteria.


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